Semi-empirical and Linear-Scaling DFT Methods to Characterize duplex DNA and G-quadruplexes in Presence of Interacting Small Molecules
DNA及其与配体相互作用的计算研究是一个高度相关的研究领域，对开发新的治疗策略具有重大影响。然而，这种大型和复杂系统的计算描述需要考虑不同类型的相互作用。所有这些考虑都意味着计算化学面临着真正的挑战。使用量子方法的整个系统需要大量的计算资源，在并行化和优化的理论策略的改进。计算方法，如LS-DFT和DLPNO-CCSD（T），可以允许在合理的计算时间内执行从头计算QM计算，包括明确的大型生物系统的电子结构。在这项工作中，我们研究了小分子和阳离子与DNA的相互作用（DNA和G-四链体），比较不同的计算方法：LMKLL/DZDP理论水平上的线性标度DFT（LS-DFT），半经验方法（PM 6-DH 2和PM 7），混合QM/MM，和DLPNO-CCSD（T）。我们的目标是证明LS-DFT的充分性，以处理不同类型的相互作用存在于DNA依赖的系统。我们表明，LMKLL/DZDP使用SIESTA可以产生非常准确的几何形状和能量在所有不同的系统中考虑这项工作：双链体DNA（dDNA），邻菲咯啉插入dDNA，G-四链体，金属-G-四分体考虑不同大小的碱金属。据我们所知，这是第一次，全G-四重体的几何优化已经进行了使用DFT方法由于其线性缩放能力。此外，我们表明，LS-DFT提供了高质量的结构，和一些半经验哈密顿量也可以产生合适的几何。然而，DLPNO-CCSD（T）和LS-DFT是唯一准确描述我…
2022-01-18 physics.chem-ph physics.comp-ph
Extreme-Scale Linear-Scaling Kohn-Sham DFT at 100 Million Atoms: Bridging Quantum Simulations and Experiments
National Supercomputing Center in Shenzhen, Guangdong, China（深圳国家超级计算中心）；Peking University Shenzhen Graduate School, Guangdong, China（北京大学深圳研究生院）；Sun Yat-sen University, Guangdong, China（中山大学）；National Supercomputing Center in Wuxi, Jiangsu, China（无锡国家超级计算中心）；Tsinghua University, Beijing, China（清华大学）；ETH Zurich, Zurich, Switzerland（苏黎世联邦理工学院）；Tsinghua Shenzhen International Graduate School, Guangdong, China（清华大学深圳国际研究生院）
提出线性标度DFT框架XLSDFT，在百亿亿次超算上实现2亿原子硅晶体模拟，性能达157.9 Pflop/s，并模拟1100万原子电池界面，与实验定量吻合。
2026-09-14 cs.CE cs.DC physics.comp-ph
Quantum HF/DFT-Embedding Algorithms for Electronic Structure Calculations: Scaling up to Complex Molecular Systems
在不久的将来，材料和药物设计可能会得到量子计算机辅助模拟的帮助。这些有可能针对最强大的经典计算机无法处理的化学系统。然而，当代量子计算机提供的资源仍然有限，将化学模拟限制在非常简单的分子上。为了快速扩展到更有趣的分子系统，我们建议嵌入的量子电子结构计算到一个经典的计算环境中获得的Hartree-Fock（HF）或密度泛函理论（DFT）的理论水平。我们实现这一点，通过构建一个有效的哈密顿量，其中包括一个平均场电位描述的行动上选定的活性空间（AS）的非活性电子。利用变分量子本征求解器（VQE）算法确定了AS哈密顿量的基态。与建议的迭代DFT嵌入方案，我们能够获得一个单一的吡啶分子，优于完全活性空间自洽场（CASSCF）的结果，无论选择的AS的能量校正项。
2020-09-03 physics.chem-ph physics.comp-ph quant-ph
Tensor-structured algorithm for reduced-order scaling large-scale Kohn-Sham density functional theory calculations
我们提出了一个有效的大规模DFT计算的张量结构的算法，通过构建一个Tucker张量基础，是适应Kohn-Sham哈密顿量和本地化的实空间。所提出的方法使用添加剂可分离近似Kohn-Sham哈密顿和$L_1$本地化技术生成的1-D本地化的功能，构成的Tucker张量的基础。数值结果表明，所得的Tucker张量基在基态能量上随Tucker秩的增加呈指数收敛。此外，所提出的张量结构的算法证明了次二次缩放与系统大小的系统有和没有间隙，并涉及成千上万的原子。这种降阶缩放也导致所提出的方法在超过2,000个电子的系统中优于平面波DFT实现。
2021-01-09 physics.comp-ph
RESCU: a Real Space Electronic Structure Method
在这项工作中，我们提出了RESCU，一个强大的基于MATLAB的科恩-沙姆密度泛函理论（KS-DFT）求解器。我们证明，RESCU可以计算系统的电子结构特性，包括成千上万的原子使用适度的计算机资源，例如16至256个核心。它的计算效率是通过利用四条路线来实现的。首先，我们使用数值原子轨道（NAO）技术，有效地产生一个良好的质量初始子空间，这是切比雪夫滤波方法的关键要求。其次，我们利用这样一个事实，即只需要一个子空间的占用Kohn-Sham状态，并准确地解决KS方程使用本征解一般可以避免。第三，通过明智地分析和优化RESCU中的程序的各个部分，我们延迟$O(N^3)$缩放到大$N$，并且我们的测试表明，当使用真实的空间网格离散化时，RESCU始终作为$O(N^{2.3})$缩放，从几百个原子到超过5,000个原子。在NAO基础上，直到14，000个原子的水平，缩放是更好的或相当的。第四，我们利用各种数值算法，特别是，我们引入了一个部分瑞利-里兹算法，以实现效率增益的系统，包括超过10,000个电子。我们使用运行在16，64和/或256个核上的许多例子来证明RESCU在解决KS-DFT问题中的能力：5，832个Si原子的超晶胞; 8，788个Al原子的超晶胞; 5，324个Cu原子的超晶胞和浸没在1，713个水分子中的小DNA分子，总共5，399个原子。在所有情况下，KS-DFT在几个…
2015-09-18 cond-mat.mtrl-sci physics.comp-ph
Scaling Density Functional Theory with Gaussian Splatting
Mila - Quebec AI Institute（米拉-魁北克人工智能研究所）；Université de Montréal（蒙特利尔大学）；Princeton University（普林斯顿大学）；ETH Zurich（苏黎世联邦理工学院）；Institut Courtois（库尔图瓦研究所）
提出GS-DFT，用高斯云团表示分子轨道并通过梯度下降优化，以少量参数达到大基组精度，可模拟2742原子系统。
2026-09-28 cond-mat.mtrl-sci cs.LG physics.chem-ph
Density Functional Theory Transformed into a One-electron Reduced Density Matrix Functional Theory for the Capture of Static Correlation
密度泛函理论（DFT）是现代计算化学中应用最广泛的方法，但它不能准确描述强关联体系的电子结构。在这里，我们表明，DFT可以正式和实际转化为一个电子约化密度矩阵（1-RDM）泛函理论，它可以解决DFT的局限性，同时保持良好的计算缩放相比，基于波函数的方法。除了放松动能项中对1-RDM的幂等性限制外，我们还在DFT的基于密度的交换相关泛函中增加了一个基于二次1-RDM的项。我们的方法，我们实现了二次半定规划在DFT的计算缩放$O(r^{3})$，产生了实质性的改进，比传统的DFT在静态相关的化学结构和过程，如单线双自由基和键离解的描述。
2022-01-11 physics.chem-ph physics.comp-ph quant-ph
DFT-FE 1.0: A massively parallel hybrid CPU-GPU density functional theory code using finite-element discretization
我们提出了DFT-FE 1.0，建立在DFT-FE 0.6 [计算。物理通信246，106853（2020）]，在众核CPU和混合CPU-GPU计算架构上进行快速准确的大规模密度泛函理论（DFT）计算（达到~ $100,000$电子）。这项工作涉及实空间公式的改进-通过改进静电相互作用的处理，大大提高了计算效率-以及高性能计算方面，包括DFT-FE中所有关键计算内核的GPU加速。我们证明的准确性，通过比较基态能量，离子力和细胞应力对广泛使用的DFT代码获得的基准系统。此外，我们证明了我们的实现，这产生$\sim 20 \times$ CPU-GPU的加速，通过使用GPU加速混合CPU-GPU节点的数值效率。值得注意的是，由于并行缩放的GPU实现，我们获得的壁时间$80-140$秒的完整的基态计算，具有严格的精度，基准系统包含~ $6,000-15,000$电子。
2022-03-21 physics.comp-ph
Electrostatic Interactions in Finite Systems treated with Periodic Boundary Conditions: Application to Linear-Scaling Density Functional Theory
我们提出了一个比较的方法来处理有限的，孤立系内的静电相互作用的周期性边界条件（PBCs），在密度泛函理论（DFT），特别强调线性标度（LS）DFT。通常，PBCs在物理上是不现实的，但这是基组选择和使用傅立叶变换计算Hartree势的有效性的不可避免的结果。在这种情况下，需要避免PBCs对计算的影响，以便获得的结果代表开放的而不是周期性的边界。非常大的系统中遇到的LS-DFT的要求的超级细胞近似的孤立系更难以管理，我们展示的情况下，开放的边界（无限细胞）的结果不能从外推的计算周期细胞的大小增加。我们讨论，实施和测试三个非常不同的方法，以克服或规避PBCs的影响：截断库仑相互作用与填充的模拟单元格，方法的基础上的最小图像公约，并明确使用开放边界条件（OBCs）。我们已经在ONETEP LS-DFT程序中实现了这些方法，并将其应用于一系列系统，包括极性纳米棒和蛋白质。我们比较他们的准确性，复杂性和收敛速度与模拟细胞的大小。我们证明，PBCs内的校正方法可以比纯OBC方法更有效，更准确地实现OBC结果。
2011-09-09 physics.chem-ph physics.comp-ph
DFT-FE -- A massively parallel adaptive finite-element code for large-scale density functional theory calculations
我们提出了一个准确，高效和大规模并行有限元代码，DFT-FE，大规模从头计算（达到$\sim 100,000$电子）使用Kohn-Sham密度泛函理论（DFT）。DFT-FE基于Kohn-Sham DFT能量泛函的局部实空间变分公式，该能量泛函使用高阶自适应谱有限元（FE）基进行离散化，并在同一框架中处理赝势和全电子计算，同时容纳非周期性，半周期性和周期性边界条件。我们讨论的主要方面的代码，其中包括，自适应FE基础生成的各种策略，和不同的方法采用的离散Kohn-Sham问题的解决方案的数值实现的重点是显着减少浮点运算，通信成本和延迟。我们证明了DFT-FE的准确性，通过比较能量，离子力和周期性细胞应力广泛的问题与常用的DFT代码。此外，我们证明，DFT-FE显着优于广泛使用的平面波代码--在CPU时间和壁时间，以及在非周期性和周期性系统--在系统大小超过几千个电子，超过$5-10$倍的加速比超过10,000个电子的系统。基准研究还强调了DFT-FE出色的并行可扩展性，在多达192，000个MPI任务上表现出强大的可扩展性。
2019-04-04 physics.comp-ph
ONETEP + TOSCAM: uniting dynamical mean field theory and linear-scaling density functional theory
我们介绍了统一的动力学平均场论（DMFT）和线性尺度密度泛函理论（DFT），最近实现的ONETEP，线性尺度DFT包，和TOSCAM，DMFT工具箱。该代码可以解释强相关的电子行为，同时包括环境的影响，使其非常适合研究含有过渡金属和镧系元素的复杂和非均相系统，如金属蛋白质。我们系统地介绍了必要的形式主义，它必须占非正交基组所使用的ONETEP。为了证明该代码的能力，我们将其应用于一氧化碳连接的铁卟啉，并探索铁$3d$电子在光解离过程中的独特量子力学特征。
2020-05-01 cond-mat.str-el physics.chem-ph physics.comp-ph
Linear Scaling Calculation of Atomic Forces and Energies with Machine Learning Local Density Matrix
本文提出HamGNN-DM模型，利用局域密度矩阵以O(n)线性标度实现DFT级精度的原子力和能量预测，为大规模分子动力学模拟提供高效且稳健的电子结构信息。
2025-01-03 cond-mat.mtrl-sci physics.chem-ph physics.comp-ph
Stochastic density functional theory
密度泛函理论（DFT）的线性缩放实现仅当应用于具有大于其Kohn-Sham密度矩阵（DM）的范围的物理尺寸的系统时才达到其预期的效率范围。这引起了一个问题，因为许多类型的感兴趣的大系统具有相当宽的DM范围，因此不适合使用DFT方法进行分析。出于这个原因，最近提出的随机DFT（sDFT），避免详尽的DM评估，正在成为一个有吸引力的替代线性尺度方法。这篇评论开发了一个通用的制定sDFT的（非）正交基表示，并提供了一个分析的统计误差（SE）的计算。使用一个新的高斯型基集实现sDFT，适用于水团簇和硅纳米晶体，它演示并解释了标准偏差和偏差如何依赖于各种类型的计算中的采样率和系统大小。我们还发展了基组嵌入碎片理论，证明了它的实用性，减少能源，态密度和核力计算的SE。最后，我们讨论了sDFT的算法复杂度，表明它具有CPU壁时间线性缩放。该方法在分布式处理器上并行化良好，具有良好的可扩展性，因此可以在即将到来的exascale计算架构中找到使用。
2018-12-22 physics.chem-ph physics.comp-ph
TDDFT+$U$: Hubbard corrected approximate density-functional theory in the excited-state regime
我们将Kohn-Sham密度泛函理论（KS-DFT）+ Hubbard $U$（DFT+ $U$）方法推广到激发态体系。这具有哈伯德$U$校正线性响应时间相关DFT的形式，或“TDDFT+ $U$”。结合计算的线性响应Hubbard $U$参数，它可以提供一个计算量小的第一性原理方法来模拟过渡金属离子上的紧束缚激子。我们提出的实现结合了线性尺度DFT+ $U$和线性尺度TDDFT，但该方法是广泛适用的。在两个镍为中心的抗磁性配位络合物与可变的$U$值的详细基准测试中，它示出的哈伯德$U$校正近似绝热半局部交换相关相互作用内核降低的激发能的过渡只在目标本地化的子空间内，通过增加相应的电子-空穴对的激子结合。这部分地抵消了对KS-DFT中的交换相关势的Hubbard $U$校正，其通过修改基础KS-DFT本征谱来增加进入、离开和在目标局部化子空间内的激发能。这种补偿效应对于相同角动量的定域轨道之间的光学暗跃迁最为明显，实验观测可能具有挑战性，理论方法是最必要的。总体而言，我们的结果指出了当代DFT+ $U$校正势的缺点，无论是在其功能形式，或当应用于过渡金属轨道，但不是配体的，或两者兼而有之。
2019-02-21 cond-mat.other cond-mat.str-el physics.chem-ph
A Submatrix-Based Method for Approximate Matrix Function Evaluation in the Quantum Chemistry Code CP2K
Paderborn University（帕德博恩大学）
本研究将子矩阵方法应用于量子化学软件CP2K的DFT计算，通过将大稀疏矩阵运算转化为局部小近密矩阵运算，突破内存带宽限制，实现了CPU、GPU及FPGA上的性能提升。
2020-07-14 cs.DC physics.comp-ph
A three-dimensional domain decomposition method for large-scale DFT electronic structure calculations
随着数十petaflops的超级计算机已经在运行，exaflops机器预计将在未来10年内出现，需要有效的并行计算方法来利用这种极端规模的机器。在本文中，我们提出了一个三维区域分解方案，使大规模并行计算机上的大规模电子计算的基础上密度泛函理论（DFT）。它由两种方法组成：（i）原子分解方法和（ii）网格分解方法。在前者中，我们开发了一种基于惯性张量矩的改进递归二分法，对原子沿主轴进行重新排序，使得在实空间中靠近的原子也在轴上靠近，以确保数据的局部性。然后，根据原子在主轴上的投影，以平衡的方式将原子划分为子域。在后者中，我们定义了四个数据结构的划分网格，精心构造，使数据的局部性与原子簇的一致，最大限度地减少进程之间的数据通信。我们还提出了一种分解方法，用于解决泊松方程使用三维FFT在Hartree潜在的计算，这是优于先前提出的并行化方法的基础上的二维分解的通信效率。为了进行评估，我们使用开源DFT代码OpenMX执行基准计算，特别注意O（N）Krylov子空间方法。结果表明，我们的方案具有良好的强和弱标度特性，与K计算机上的16，384个核和131，072个金刚石原子相比，131，072个核的并行效率为67.7%。
2012-09-20 cond-mat.mtrl-sci cs.CE cs.DC
Linear scalability of density functional theory calculations without imposing electron localization
电子结构的线性标度密度泛函理论方法通常基于电子在大的原子和分子系统中局域化的趋势。然而，在许多实际感兴趣的情况下，例如在半导体纳米晶体中，系统尺寸可以在显著的电子局域化设置之前达到非常大的扩展，并且数值方法的缩放可以强烈地偏离线性。在这里，我们解决这类系统，通过开发一个大规模并行的密度泛函理论（DFT）的方法，不依赖于电子localizationa和正式的二次缩放，但使高效的线性壁时间复杂性在弱的可扩展性制度。该方法扩展从随机DFT方法描述的Fabian等。等电线：压缩分子量科学，e1412 2019，但完全是确定性的。它使用标准的量子化学原子为中心的高斯基组表示的电子波函数结合笛卡尔实空间网格的一些运营商，并使一个快速求解泊松方程。我们的主要结论是，当一个处理器丰富的高性能计算（HPC）的基础设施是可用的，这种类型的方法有可能允许在量子限制或电子离域防止线性缩放制度的大型系统的研究。
2022-03-24 physics.chem-ph physics.comp-ph
Calculating Hyperfine Couplings in Large Ionic Crystals Containing Hundreds of QM Atoms: Subsystem DFT is the Key
本文应用子系统DFT的线性标度冻结密度嵌入（FDE）公式计算了一水鸟嘌呤晶体中鸟嘌呤阳离子自由基原子的各向同性超精细耦合常数（hfccs）。考虑的模型系统的范围从一个孤立的鸟嘌呤到一个15,000原子的QM/MM簇，其中QM区域由36个质子化鸟嘌呤阳离子，36个氯阴离子和42个水分子组成。我们的计算表明，嵌入周围的晶体的效果不能再现无论是小模型系统，也不是由一个纯粹的QM/MM程序。相反，需要一个大的QM区域来完全捕获该系统中嵌入效应的复杂性质。在这项工作中，前所未有的相对论全电子各向同性hfccs计算的系统尺寸可以接近，因为考虑的有机晶体的电子结构的局部性质是完全捕获的FDE方法。
2013-08-14 physics.atm-clus physics.chem-ph physics.comp-ph
SPARC: Accurate and efficient finite-difference formulation and parallel implementation of Density Functional Theory: Extended systems
作为实空间从头计算模拟软件包的第二部分，我们提出了一个精确有效的有限差分公式和并行实现扩展系统的密度泛函理论（DFT）。具体而言，采用局部制剂的静电，Chebyshev多项式过滤自洽场迭代，和重新制定的非局部力分量，我们开发了一个有限差分框架，其中的能量和原子力可以有效地计算在DFT所需的精度。我们证明了使用各种各样的材料系统，在能量和力方面，相对于空间离散化到参考平面波结果，能量和力实现了高收敛率;相对于板和线的真空尺寸，能量和力的指数收敛;能量和力是一致的，并显示出可忽略的“蛋盒”效应;晶体、板和线的准确特性;以及在分子动力学模拟中可忽略的漂移。我们还表明，弱和强的缩放行为的电子束是类似的完善和优化的平面波实现系统组成的数千个电子，但与一个显着减少的前因子。总的来说，DFT代表了一个有吸引力的替代平面波代码进行DFT模拟扩展系统。
2016-12-09 physics.comp-ph
SPARC: Accurate and efficient finite-difference formulation and parallel implementation of Density Functional Theory: Isolated clusters
作为实空间从头计算模拟软件包的第一部分，我们提出了一个精确有效的孤立团簇密度泛函理论的有限差分公式和并行实现.具体而言，利用局部重新制定的静电，切比雪夫多项式过滤自洽场迭代，和重新制定的非本地分量的力量，我们开发了一个框架，使用有限差分表示，使有效的评估能量和原子力的DFT所需的精度。通过选择由各种元素组成的例子，我们证明了，在能量和力的指数收敛与域的大小;系统收敛的能量和力与网格大小的参考平面波结果在1000高的利率;力是一致的能量，都没有任何明显的“蛋盒”效应;和精确的基态性质，包括平衡几何和振动光谱。此外，对于由数千个电子组成的系统，双光子晶体显示出弱和强的并行缩放行为，这与成熟和优化的平面波实现相似，但前因子显著降低。总的来说，ESTA代表了一个有吸引力的替代平面波代码的实际DFT模拟孤立的集群。
2016-09-19 physics.comp-ph
Accelerating Atomic Orbital-based Electronic Structure Calculation via Pole Expansion and Selected Inversion
我们描述了如何应用最近开发的极点展开和选择反转（PEXSI）技术的Kohn-Sham密度泛函理论（DFT）的电子结构计算的基础上原子轨道离散化。在不使用Kohn-Sham哈密顿量的本征值和本征向量的情况下，给出了计算电荷密度、总能量、Helmholtz自由能和原子力（包括Hellman-Feynman力和Pulay力）的解析表达式.我们还展示了如何更新的化学势，而不使用Kohn-Sham本征值。使用PEXSI的优点是它具有比与矩阵对角化过程相关联的计算复杂度低得多的计算复杂度。我们证明了性能增益通过比较PEXSI的时间与绝缘和金属纳米管上的对角化。对于这些准一维系统，PEXSI的复杂性与原子数成线性关系。在我们的计算实验中，当纳米管中的原子数量大于几百个时，可以观察到这种线性缩放。PEXSI的挂钟时间和内存需求都很适中。这使得它甚至可以执行Kohn-Sham DFT计算10,000原子纳米管与所选择的反演算法的顺序实施。我们还进行了精确的几何优化计算截断（8，0）氮化硼纳米管系统包含1024个原子。数值结果表明，使用PEXSI不会导致损失的精度要求在一个实际的DFT计算。
2013-05-29 physics.comp-ph
An Accurate and Linear Scaling Method to Calculate Charge-Transfer Excitation Energies and Diabatic Couplings
量子力学方法，计算速度快，准确的电子激发电荷转移字符尚未提供。在这项工作中，我们提出了一个重要的一步，实现这一目标的电荷转移激发之间发生的非共价键结合的分子。特别地，我们提出了一种与系统中非共价键分子数目成线性关系的方法，该方法基于一种双管齐下的方法：用子系统密度泛函理论的冻结密度嵌入公式得到对称性破缺电荷局域态的分子电子结构;随后，在SCF后计算中，全电子哈密顿量和重叠矩阵元之间的电荷-局域化状态的算法，充分利用子系统DFT密度划分技术进行评估。该方法是对耦合簇计算基准，并实现化学精度为考虑分子间分离的系统，从氢键距离帐篷的nigraphy。数值例子提供的分子团簇由多达56个非共价键结合的分子。
2013-01-11 physics.chem-ph physics.comp-ph
